Сварка в космосе

Исследования сварки в космосе

Шонин,Кубасов, сварка в космосе
Шонин,Кубасов, сварка в космосе
2814155
Сварка в космосе, космонавты Шонин и Кубасов

Первые эксперименты по автоматической сварке в космосе. Первые эксперименты по сварке и резке в космосе были проведены в октябре 1969 г. на космическом корабле «Союз-6».

питания (ВИП), блоки управления, средства измерения. Установка оснащена дистанционным пультом управления. Вес “Вулкана” составляет около 50 кг. Продолжительность непрерывной работы небольшая и ограничивается емкостью аккумуляторной батареи. Мощность сварочных устройств для различных способов составляла от 0,6 до 1,0 кВт.

“Вулкан” был размещен в шлюзовом отсеке космического корабля “Союз-6”. На период проведения экспериментов этот отсек был разгерметизирован. В нем поддерживалось давление, близкое к забортному (1,33 10″ Па). Экипаж во время экспериментов находился в герметичном возвращаемом на Землю отсеке, отделенном от шлюзового отсека закрытым люком. Там же размещался дистанционный пульт управления.

Результаты этих первых космических экспериментов по сварке были неоднозначными.

Первой производилась сварка сжатой дугой низкого давления с полым катодом. Предполагалось сварить стыковые швы с отбортовкой и без отбортовки кромок из нержавеющей стали и титана ВТ1-0 толщиной 1 мм. Однако этот метод сварки не оправдал возлагавшихся на него ожиданий. Очень высокая скорость откачки атмосферы через открытый люк бытового отсека корабля “Союз-6” не позволила на данной аппаратуре обеспечить в зоне дугового промежутка концентрацию плазмообразующего газа, достаточную для контрагирования дуги. Возникший в этих условиях слаботочный разряд не обеспечил плавления и сварки образцов, оставив на них лишь хорошо заметный след, свидетельствующий о незначительном нагреве. Второй выполнялась электронно-лучевая сварка. Сваривались стыковые швы, стыковые швы с отбортовкой и нахлесточные швы. Материалом были нержавеющая сталь типа Х18Н10Т, технический титан ВТ 1-0 и алюминиевый сплав АМгб толщиной 1,5—2,0 мм. Кроме того, производилась резка титановых и алюминиевых платин толщиной 1,0 мм. Было установлено, что при длительной невесомости и космическом вакууме процессы сварки и резки электронным лучом протекают стабильно. Обеспечиваются

необходимые условия для нормального формирования —I и резов. Однако протяженных сварных соединений получить не удалось равномерной скорости перемещения стола с образцами, возникшей вследствие отказа одного из уз- лов механизма его перемещения.

Последней выполнялась сварка дугой низкого давления с плавящимся электродом. Сваривались стыковые соединения из листов нержавеющей стали 08Х18Н10Т толщиной 1 мм на подкладке из такого же материала толщиной 0,5 мм. Из-за неравномерного перемещения стола с образцами хорошо сформированных швов также получить не удалось. Однако было показано, что процесс сварки дугой низкого давления с плавящимся электродом в космосе при очень высокой скорости откачки протекает также стабильно, как и в наземных барокамерах. В космосе, как и на Земле, обеспечиваются нормальные условия для формирования контрагированной дуги низкого давления в парах свариваемого металла. Полученные сварные швы были доставлены на Землю и тщательно исследованы. Эксперименты на установке “Вулкан”, несмотря на отдельные недочеты, дали богатейшую информацию. Она позволила создать новые образцы космической сварочной аппаратуры и разработать прикладные технологии сварочных процессов в космосе.1972 г. на американской орбитальной станции

Скайлэб также была испытана автоматическая электронно-лучевая сварочная установка, специально разработанная для проведения серии экспериментов М-512.

Эксперименты по испарению веществ и нанесению тонкопленочных покрытий. Летом 1979 г. на орбитальную станцию Салют-6” была доставлена технологическая установка ‘Испаритель” [И, 16, 58, 64], созданная для экспериментальной отработки в космосе процессов на несения тонкопленочных покрытий на различные металлические и неметаллические подложки методом термического испарения и конденсации веществ. В качестве источника нагрева испаряемого вещества в установке был использован расфокусированный пучок электронов.

Рис. 1.18. Размещение установки “Испаритель” на борту орбитальной станции “Салют-6”: а — блок управления и энергопитания со шлюзовой камерой; б — компоновка рабочего блока в шлюзовой камере; 1, 2 — люки шлюзовой камеры; 3 — рабочий блок; 4 — поворотный контейнер; 5 — блок управления и энергопитания; б — шлюзовая камера

В состав установки (рис. 1.17) входили два взаимосвязанных блока. Первый блок (управления и энергопитания, рис. 1.17, а) включал в себя вторичный источник электропитания 1, обеспечивающий преобразова

ние и стабилизацию электроэнергии бортовой сети орбитальной станции, и панель управления 2, на которой располагались органы управления и средства индикации состояния аппаратуры. Этот блок размещался в герметичных отсеках орбитальной станции (рис. 1.18, а). Второй блок (рабочий, рис. 1.17, б) обеспечивал испарение в вакууме материалов, используемых для нанесения покрытий, и поочередное введение в поток пара экспонируемых образцов. Его основными функциональными узлами являлись два испарителя 3, оснащенных низковольтными электронно-лучевыми пушками 4, блоками энергопитания с ускоряющим напряжением

2 кВ 5 и барабанный манипулятор 6 с образцами подложек.

Рабочий блок размещался в специальной шлюзовой камере 6 станции (рис. 1.18, б). Камера имела два вза- имозаблокированных люка (7 и 2), один из которых соединял камеру с герметичными отсеками, другой — с забортным пространством. Рабочий блок 3 “Испарителя” устанавливался в специальном открытом контейнере 4, который может быть повернут в сторону как одного, так и другого люка.

Для подготовки эксперимента контейнер 4 устанавливался открытой частью к внутреннему люку 2 камеры, который затем открывается. В этом положении устанавливались и заменялись образцы подложек, регулировались электронные пушки, заменялись тигли с испаряемыми веществами.

При проведении эксперимента контейнер 4 поворачивался открытой частью к наружному люку. Внутренний люк 2 закрывался, а наружный 1 — открывался. В таком положении производилось испарение веществ и нанесение покрытий. Процесс нанесения покрытий начинали лишь после достижения в камере необходимого уровня забортного вакуума.

Разогрев тиглей с испаряемыми веществами производится бомбардировкой их расфокусированным пучком электронов. Барабанный манипулятор 6 (рис. 1.17,6) позволял поочередно вводить в поток пара каждого из

двух испарителей 12 образцов подложек. Толщина покрытая варьировалась в широких пределах за счет изменения температуры испаряемого вещества (мощности испарителя) и продолжительности экспозиции. Последняя задавалась перекрытием потока пара специальной шторкой.

Установка “Испаритель” работала на борту орбитальной станции “Салют-6” около трех лет. За это время в космосе было получено свыше 200 образцов различных покрытий, на различных подложках.

На установке работали три экипажа: В. Рюмин и В. Ляхов в 1979 г.; Л. Попов и В. Рюмин в 1980 г.;

В.      Ковеленок и В. Савиных в 1981 г.

В конце 1983 г. на борт следующей орбитальной станции “Салют-7” была доставлена новая полупромышленная установка “Испаритель М” (рис. 1.19). Принципиальная структура и компоновка на борту орбитальной станции была такая же, как и у ранее описанной установки “Испаритель”, также был сохранен и принцип работы, при этом возможности “Испарителя М” были значительно шире [11, 58, 64].

Рабочий блок был оснащен несколькими сменными головками для размещения обрабатываемых образцов. При снятой сменной головке он мог быть использован для нанесения покрытий не на образцы, а на внешние поверхности космических аппаратов. На обрабатываемые поверхности можно было наносить относительно толстые слои припоев. Одна из сменных головок позволяли производить электронно-лучевую плавку металлических материалов [16].

Елок управления “Испарителя М” представлял собой программное устройство, позволяющее реализовать несколько десятков технологических режимов обработки материалов. Блок был оснащен современной информационно-измерительной системой. После доставки на борт станции “Салюг-7” на установке работали несколько экипажей.

Космонавты В. Ляхов и А. Александров выполнили тестовые проверки “Испарителя М”, а в 1984 г экипаж в составе В. Соловьева, О. Атъкова и Л. Кизима провел

48

Jli I

продолжительную серию тонких технологических экспериментов по испарению в космосе многокомпонентных металлических систем [24, 64]. На ряд образцов, которые в последующем подвергались пайке, были нанесены слои серебряно-оловянных припоев.

Рис. 1.19. Рабочий блок установки «Испаритель М”: 1 — сменная головка с образцами; 2 — сменные электронно-лучевые испарители; 3 — высоковольтный блок

Рис. 1.20. Технологическая установка “Янтарь”: 1 рабочий блок; 2 — блок управления и электропитания; 3 — сменная головка — лентопротяжный механизм

В том же году во время экспедиции посещения интернациональный экипаж в составе Ю. Малышева, Г. Стрекалова и Р. Шарма (Индия) провел на “Испарителе М” эксперимент “Переохлаждение”. В ходе эксперимента производилась выплавка и затвердевание свободно витающих в невесомости и вакууме сферических отливок из эвтектических сплавов серебро — германий. Цель эксперимента заключалась в исследовании возможности получения в космосе слитков аморфных металлических материалов [16].

В 1988 г. на орбитальную станцию “Мир” была доставлена технологическая установка “Янтарь” (рис. 1.20), имеющая еще более широкие возможности. Кроме названных выше операций, она позволяет наносить покрытия на полимерные и металлические движущиеся ленты. Для этого в установку введена специальная рабочая головка, обеспечивающая перемотку лент над каждым из двух испарителей. Наличие такой перемоточной головки и возможность хорошей фокусировки электронных пучков позволяет производить на установке “Янтарь” также и сварку металлических образцов небольшой толщины.

На “Янтаре” в 1988—1989 гг. работали космонавты Ю. Романенко и А. Лавейкин. Результаты всех этих экспериментов и особенности получаемых в космосе покрытий более подробно рассмотрены в параграфе 3.6.

Выполнение сварки и родственных технологических процессов в космосе вручную. Все перечисленные выше установки имеют дистанционное или автоматическое программное управление. Поэтому наибольшее применение они могут найти в тех случаях, когда технология выполнения каждой из операций полностью отработана и может быть заранее спланирована. Это, в основном, монтажно-сборочные операции для узлов и деталей, соединение которых подготовлено еще на Земле, или создание заранее известных покрытий.

50

Рис. 1.21. Универсальный ручной электронно-лучевой инструмент (УРИ): 1 — решетчатый контейнер; 2 — рабочий инструмент; 3 — герметичный приборный отсек; 4 — пульт управления; 5 — кабельные коммуникации; б — сменные планшеты с образцами

Существует, однако, большое количество операций (в первую очередь ремонтных), для которых предварительная наземная подготовка и отработка затруднена или вообще невозможна. В таких случаях необходимо непосредственное участие оператора-космонавта, кото-

51

рый может на месте оценить объем необходимых работ и принять решение о методике их выполнения.

Для таких работ в Институте сварки им. Е. О. Патона был создан универсальный ручной электронно-лучевой инструмент (УРИ, рис. 1.21) (16, 42, 64, 80, 83]. Для удобства транспортировки все входящие в его состав блоки компонуются в едином решетчатом контейнере 1. В нем размещаются:

  • рабочий инструмент пистолетного типа 2 (рис. 1.22);
  • герметичный приборный отсек 3, содержащий вторичный источник электропитания, блоки автоматики и системы телеметрии;
  • пульт управления 4; кабельные коммуникации 5.

На передней стороне решетчатого контейнера размещены крепежные элементы, которыми УРИ крепится к поручням, расположенным на наружной поверхности станции или космического корабля.

С задней (наружной) стороны контейнера могут быть закреплены специальные сменные планшеты 6 с обрабатываемыми образцами материалов и соединений. Образцы используются для проведения научно-

Рнс. 1.22. Электронно-лучевой рабочий инструмент пистолетного типа

исследовательских экспериментов или для отработки режимов технологических процессов и получения образцов-свидетелей при проведении прикладных работ.

В конструкции контейнера предусмотрены соответствующие ограждения и ограничители, обеспечивающие строгое соблюдение мер техники безопасности (невозможность случайного попадания электронного луча на скафандр оператора или на конструктивные детали космического аппарата). Кроме механических мер, также предусмотрены и электрические меры обеспечения безопасности (отключение электронного луча в случае, если действия оператора становятся неконтролируемыми).

Для удобства работы пульт управления размещен под левой рукой оператора, а рабочий инструмент — под правой. Если оператор левша, то может быть проведена соответствующая перекомпоновка.

В транспортном положении инструмент закреплен в специальном фиксирующем устройстве. После доставки на орбиту фиксирующие элементы снимаются.

Инструмент (см. рис. 1.22) представляет собой моноблок, базовым элементом которого является коробчатый корпус 1 со специальной рукояткой 2, выполненной скульптурно под перчатку скафандра. На передней стенке корпуса установлены две электронно-лучевые пушки, закрытые специальным теплозащитным кожухом 3. Каждая из пушек может быть оборудована либо фокусирующим устройством, либо тигельной насадкой. В первом случае пушка используется для резки, сварки, пайки или нагрева сосредоточенным источником тепла, во втором — для испарения с целью нанесения покрытий или нагрева распределенным источником тепла.

Внутри коробчатого корпуса размешен высоковольтный источник питания, состоящий из общего для обеих пушек высоковольтного трансформатора, анодного выпрямителя и раздельных накальных трансформаторов. Все эти узлы залиты эпоксидным компаундом в единый блок.

Ускоряющее анодное напряжение высоковольтной источника питания не может превысить 10 кВ, что исключает возникновение в процессе работы электронной пушки жесткого рентгеновского излучения.

Тумблер на корпусе инструмента позволяет избирательно подводить электропитание: либо к одной, либо к другой пушке. Рукоятка блока сделана поворотной, что позволяет оператору подобрать наиболее удобное положение инструмента относительно образца, и имеет не западающую клавишу, которой оператор включает электронный луч.

УРИ был доставлен на борт орбитальной станции “Салют-7” в начале 1984 г. 25 июля этого же года космонавты С. Савицкая и В. Джанибеков вышли в открытый космос и вынесли с собой УРИ, оснащенный планшетом с образцами для резки, сварки, пайки и нанесения покрытий. Для резки были подготовлены образцы из нержавеющей стали и титанового сплава толщиной 0,5 мм. Сварке и пайке подвергались образцы из этих же материалов толщиной

1,0 мм. Серебряное покрытие наносилось на зачерненные алюминиевые пластины толщиной 2 мм и площадью 0,06 м2.

Сразу же после выхода за борт станции В. Джанибеков закрепил УРИ на поручне якорной площадки с помощью захватов. Таким образом, было организовано специальное рабочее место, отвечающее всем требованиям техники безопасности и эргономики (рис. 1.23). Рабочее место по отношению к борту станции “Салют-7” было ориентировано так, чтобы электронный луч, даже если он прорежет отверстие или пройдет мимо планшета с образцами, не смог коснуться поверхности станции. Оборудовав сварочный пост, космонавты подготовили к работе ручной инструмент.

Вначале каждую из операций вручную выполнила С. Савицкая. Первой выполнялась резка титановой

Рис. 1.23.

Космонавт С. Савицкая выполняет нанесение покрытий в космосе, за бортом орбитальной станции “Салют-7” нанесения покрытий (г), выполненные в космосе С. Савицкой в 1984 г. электронно-лучевым инструментом вручную

пластины, как наименее сложная операций. Затем последовательно были проведены операции сварки, пайки и нанесения покрытий. Техника и технология выполнения этих процессов была отработана заранее, еще на Земле. Самые первые образцы, обработанные С. Савицкой в космосе электронно-лучевым инструментом вручную, показаны на рис. 1.24. Значение этих первых образцов трудно переоценить. Тот факт, что женщина- космонавт, снаряженная в космический скафандр, в открытом космосе прекрасно работала с электронным лучом и расплавленным металлом, буквально сломал лед недоверия у скептиков, сомневавшихся в самой возможности использования в космосе сварочных и

родственных технологий. С. Савицкая проявила подлинный героизм, взяв на себя роль первопроходца в этих основополагающих экспериментах.

После завершения работы С. Савицкой эксперименты продолжил В. Джанибеков. В его задачу входило опробование различных технических приемов выполнения вручную перечисленных выше технологических процессов. Предстояло оценить, какие из этих приемов, ранее уже опробованных в наземных барокамерах, окажутся наиболее перспективными при работе в длительной невесомости.

Внешний вид некоторых образцов, сваренных в космосе вручную В. Джанибековым, показан на рис. 1.25. Техника ручной сварки, использованная им при обработке этих образцов, была признана перспективной для работ в космосе, выполняемых вручную оператором, снаряженным в скафандр.

Рис. 1.25. Образцы электронно-лучевой сварки, выполненные в космосе В. Джанибековым с использованием различных технических приемов

После окончания работ В. Джанибеков демонтировал УРИ и перенес его в герметичные отсеки станции где он был законсервирован до проведения следующих экспериментов. Все обработанные образцы были демонтированы с планшетов и доставлены на Землю для исследований. Исследования полностью подтвердили высокое качество большинства полученных в космосе образцов. Более подробно этот вопрос рассмотрен в главе 3.

Следующая серия экспериментов с ручным электронно-лучевым инструментом была проведена в 1986 г. Двухгодичный промежуток времени позволил тщательно проанализировать полученные в 1984 г. результаты и разработать рекомендации по совершенствованию методики наземной подготовки космонавтов-операторов. Подготовка космонавтов JI. Кизима и В. Соловьева, проводившаяся по этой методике, позволила поручить им выполнение в космосе значительно более сложных работ, имеющих практическую направленность. Космонавтам ставилась задача сварить и спаять вручную в открытом космосе отдельные узлы ферменных конструкций, которые размещались в специальных кассетах- манипуляторах (рис. 1.26). Кассеты были доставлены на борт станции “Салют-7” незадолго до проведения экспериментов.

В ходе работ космонавты выполнили два выхода в открытый космос. Первый выход был сделан 26 мая 1986 г. О нем будет рассказано ниже, в главе, касающемся космических крупногабаритных конструкций, так как сварочные работы в этот день не проводились. Во время второго выхода, который состоялся 30 мая, после разгерметизации шлюзового отсека космонавты вынесли на внешнюю поверхность станции УРИ, оснащенный новыми кассетами с образцами узлов ферменных конструкций, и установили его на поручне якорной площадки. После завершения работ по раскрытию и складыванию шарнирно-рычажной фермы (см. параграф 4.2) космонавты приступили к сварке отдельных ее узлов 158]. Всего было сварено 10 отдельных

Рве. 1.26. Кассета-манипулятор с установленными образцами узлов ферменных конструкций

Рис. 1.27. Образцы неразъемных соединений узлов ферменных конструкций, выполненных в космосе ручной электронно-лучевой сваркой; о — заваренный шарнир; б — припаянная втулка трубчатотросовой фермы

шарнирных узлов из титанового сплава ВТ-4 (рис. 1.27, а). Затем космонавты выполнили комплексную операцию сварки—пайки узлов трубчато-тросовой

фермы (рис. 1.27, б). Каждый узел представлял собой фрагмент незамкнутой трубы из стали 36НХТЮ, на которую было надето заполненное припоем кольцо из стали СтЗО.

Соединение осуществлялось 3—4 сварными точками, промежуток между которыми заполнялся расплавленным припоем [12].

После завершения работ за бортом станции аппаратура и сваренные образцы были занесены в герметичные отсеки, а затем доставлены на Землю. Проведенные на Земле исследования показали высокое качество полученных в космосе соединений (см. главу 3).

Даже такое краткое перечисление экспериментов, выполненных в наземных лабораториях и космосе, дает представление о полученном богатом экспериментальном материале. Обобщение накопленного опыта позволило сформулировать основные принципы выполнения сварочных работ в космосе, разработать современные конструкции космических сварочных аппаратов, создать технологии неразъемного соединения и резки в космосе конструкционных материалов, используемых в космических летательных аппаратах.

Однако значение выполненных в космосе исследований не ограничивается только этим. Ряд экспериментов послужил основой для разворачивания в дальнейшем фундаментальных исследований по другим научным направлениям. Прежде всего, надо упомянуть о том, что разработанная для целей сварки малогабаритная, надежно работающая в космосе электроннолучевая аппаратура оказалась незаменимой для инжектирования электронных пучков, используемых при исследовании магнитосферы Земли и околоземной плазмы. Долгосрочная программа таких исследований была разработана под руководством академика Р. 3. Сагдеева двумя московскими институтами (Институтом космических исследований и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн), а аппаратура для исследований была создана в Институте электросварки им. Е. О. Патона. В СССР было проведено два

космических эксперимента: “Зарница-1” (май 1973 г.) и “Зарница-2” (июнь 1975 г.). Инжекторы электронов мощностью до 4,5 кВт при ускоряющем напряжении 10 кВ совместно с аппаратурой электропитания, управления и телеметрии выводились в космос баллистической ракетой с космодрома “Капустин яр”. После разделения проводилось несколько серий инжекции электронов. Распространение электронных пучков наблюдалось с наземных наблюдательных пунктов, расположенных в радиусе 300 км от места пуска.

Анализ результатов, полученных в ходе эксперимента “Зарница-1”, позволил приступить к планированию и осуществлению аналогичного советско-французского эксперимента “Араке”. Для проведения этого эксперимента в Институте электросварки им. Е. О. Патона был создан гораздо более мощный инжектор электронов (30 кВт при ускоряющем напряжении 15 кВ) и соответствующая ему аппаратура электропитания, управления и телеметрии.

Эксперимент был проведен в начале 1975 г. Изготовленная в институте аппаратура была размещена на французской ракете “Эридан”, которая была запущена с острова Кергелен в южной части Индийского океана.

В ходе этого комплексного эксперимента инжектируемые аппаратурой “Араке” электронные пучки наблюдались с Земли и летающих лабораторий в северной сопряженной точке магнитного поля Земли (поселок Согра, Архангельской области). Результаты всех этих экспериментов были высоко оценены международной научной общественностью.

Прежде всего была полностью подтверждена большая перспективность использования в экспериментальной космической физике управляемых (активных) экспериментов, при которых наблюдения процессов в околоземном космическом пространстве становятся сопоставимыми с направленным воздействием на плазму в наземных лабораториях. Эксперименты продемонстрировали возможность инжекции с борта космических ракет в ионосферу достаточно интенсивных пучков электронов при пассивной компенсации уходящего заряда. & показано, что инжектируемые в ионосферу электроны могут проходить большие расстояния вдоль маг- нотных силовых линий геомагнитного поля и даже переходить из южного полушария в северное.

Входе экспериментов отмечено рассеяние радиоволн на неоднородностях ионизации, генерируемых в ионосфере пучками инжектируемых электронов (аналогично естественному рассеянию радиоволн при полярных сияниях) в различных диапазонах частот.

Эксперименты “Зарница” и “Араке” дали возможность проверить некоторые модели строения земной магнитосферы и поведения в ней частиц, полей и плазмы [49].

В подготовке и проведении экспериментов Зарница” и “Араке” непосредственно принимали участие специалисты Института электросварки им. Е. О. Патона

В.      Е. Патон, Ю. Н. Ланкин, В. В. Сгесин, О. К. Назаренко, В. Д. Шелягин, В. Н. Мохнач, С. С. Гавриш, Ю. А Масалов, Е. Н. Байштрук, Ю. В. Непорожний и Института электродинамики НАН Украины Ю. И. Драбович, Н. Н. Юрченко, Г. Ф. Позеев.

Эксперименты по термическому испарению веществ и выплавке сфер серебро—германий в космосе на установках типа “Испаритель” были продолжены созданием новой технологии получения в космосе монокристаллических совершенных полупроводниковых и композиционных материалов. Существенное повышение качества полупроводников и композиционных материалов является одной из приоритетных задач практически всех научно-технологических центров материаловедческого профиля во всех промышленно-развитых странах. Гравитационное поле создает принципиально неустранимые препятствия на пути дальнейшего усовершенствования их качества. Это связано в первую очередь с тем, что в земных условиях транспорт атомов матрицы и легирующих примесей в условиях кристаллизации полупроводниковых монокристаллов контролируется процессами термической и концентрационной конвекции,

которую полностью подавить практически невозможно. Конвективный перенос массы вследствие этих процессов приводит к деформации температурных и концентрационных полей в непосредственной близости к фронту кристаллизации, обеспечивая тем самым не только появление негомогенностей в распределении примесных атомов и структурных дефектов, но также изменяя при этом режим кристаллизации.

Что касается композиционных материалов, то явление седиментации, определяемое силой тяжести, также не дает возможности получать высококачественные композиционные материалы.

Космические условия (высокий вакуум и микрогравитация) могут быть эффективно использованы для реализации ряда металлургических процессов, одним из которых является бестигельная зонная плавка полупроводниковых монокристаллов, компонент сложных полупроводниковых соединений, легирующих элементов, сверхчистых металлов и композиционных материалов с помощью электронно-лучевого нагрева.

Современный уровень развития ракетно-космиче- ской техники делает реальной практическую постановку вопроса о производстве в космосе материалов с уникальными свойствами.

Есть основания полагать, что свойства полупроводниковых кристаллов, получаемых в космических условиях, по своим основным параметрам будут близки к теоретически ожидаемым, а сами материалы станут пользоваться большим спросом в наиболее современных областях науки и техники. Высокими качественными характеристиками будут обладать также и композиционные материалы, полученные в космосе.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в Институте электросварки им. Е. О. Патона совместно с другими институтами Национальной академии наук Украины в земных условиях и направленные на выяснение возможностей получения совершенных материалов в условиях микрогравитации методом бестигельной зонной плавки электронным пуч-

Рис. 1.28. Схема бестигельной зонной плавки дисковым электронным пучком: 1 — переплавляемый образец; 2 — верхний держатель; 3 — нижний держатель; 4 — расплавленная зона; 5 ^ переплавленный участок; б — электроннолучевой нагреватель; 7 — катод;

8 — фокусирующее устройство;

9 — электронный пучок

ком в виде диска и разработкой физико-технологических основ процесса перекристаллизации, пригодного для применения в этих условиях, показали хорошие перспективы применения этого процесса в космосе.

Разработанная технология базируется на зонном переплаве стержневых заготовок с помощью дисковых электронных пучков, формируемых кольцевой электронной пушкой. При этом обеспечивается свободно кристаллизующаяся в микрогравитации плавающая расплавленная зона. На рис. 1.28 приведена схема электронно-лучевой плавки дисковым электронным пучком.

В Институте электросварки им. Е. О. Патона созданы и испытаны в наземных условиях экспериментальные образцы установок для бестигельной зонной плавки. Сейчас создается установка для проведения космических экспериментов на борту орбитальной станции.

Добавить комментарий